Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОЙ СЕРДЦЕВИНЫ СЛИТКА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ЛИТЬЕ

Использование: в энергетике, металлургии и литейном производстве.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в энергетике, металлургии и литейном производстве для повышения эффективности работы кристаллизатора непрерывной разливки металлов и сплавов в слитки цилиндрической формы путем бесконтактного перемешивания проводящей жидкости и интенсификации тепломассообмена в объеме расплава.

Аналогом является способ электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины металлического слитка в цилиндрическом канале путем генерации аксиального цилиндрического пульсирующего магнитного поля равномерной интенсивности по периметру слитка (Патент РФ №2395364, МПК B22D 11/01, B22D 11/049 от 02.12.2008 г.), в котором слиток заданного диаметра формируют посредством одновременного изменения частоты и величины напряженности электромагнитного (ЭМ) поля, расположенного в переходной области «жидкая-твердая фаза» столба слитка.

Недостатком такого способа является воздействие на кристаллизующийся расплав пульсирующим (переменным) ЭМ полем высокой частоты (более 500 Гц), при котором не принимается во внимание структура потока расплава, формируемого результирующими ЭМ силами в расплаве, а также наличие собственных низкочастотных пульсаций скорости потока, обусловленных циркуляцией жидкости.

Прототипом является способ для непрерывной и полунепрерывной разливки алюминиевых сплавов (патент РФ 2457064, МПК B22D 11/049, B22D 27/02, от 27.07.2012), при котором кристаллизация и вытягивание слитка заданного диаметра осуществляется под воздействием комбинации двух электромагнитных полей на различных частотах, бегущих в противоположных направлениях вдоль направления вытягивания слитка и охватывающих всю жидкую сердцевину.

Основным недостатком данного способа является необходимость применения двух наборов расщепленных индуктивных катушек и устройств для их питания трехфазным током для реализации одновременного движения двух ЭМ полей в различном направлении и соответственно повышенный расход энергии для осуществления перемешивания. Следует также отметить, что при воздействии бегущих магнитных полей при указанном способе перемешивания внутри жидкой сердцевины вытягиваемого слитка организуется одноконтурная циркуляция расплава. Подобная конфигурация течения является менее эффективной для выравнивания поля температур в расплаве, чем двухконтурное движение металла, вследствие меньшей турбулизации потока (Микельсон Ю.Я., Якович А.Т. Движение жидкого металла в индукционных печах. - В кн.: Вопросы электродинамики и механики сплошных сред. Рига, 1977, вып. 3, с. 40-66.).

Задачей изобретения является разработка способа повышения интенсивности тепло- и массообменных процессов в кристаллизующемся металле за счет электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе при непрерывном литье, в котором устранены недостатки аналога и прототипа.

Техническим результатом является повышение эффективности работы промышленного кристаллизатора непрерывного литья путем бесконтактного перемешивания жидкого металла во время кристаллизации для осуществления гомогенизации температурного поля и химического состава расплава, а также для воздействия на кристаллизующийся материал с целью улучшения качества конечного продукта.

Технический результат достигается тем, способ электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе при непрерывном литье, включающий воздействие на жидкий металл электромагнитным полем посредством индуктивной катушки, расположенной вокруг кристаллизатора, для осуществления электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка, согласно настоящему изобретению генерирование неподвижного однофазного переменного электромагнитного поля прерывается для реализации импульсного воздействия электромагнитных сил, наводимых в расплаве, с частотой, близкой или совпадающей с собственной резонансной частотой механических колебаний объема жидкой сердцевины.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе при непрерывном литье согласно данному способу.

Цифрами на чертеже (фиг.1) обозначены:

1. - раздаточная воронка;

2. - жидкий металл;

3. - кристаллизатор;

4. - индуктивная катушка;

5. - однофазное импульсное переменное электромагнитное поле;

6. - контуры циркуляции расплава;

7. - водяное охлаждение;

8. - фронт кристаллизации;

9. - вытягиваемый слиток.

Устройство для осуществления способа электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе при непрерывном литье содержит раздаточную воронку 1, содержащую жидкий металл 2, подаваемый в кристаллизатор 3. Вокруг кристаллизатора 3 располагается индуктивная катушка 4 для создания однофазного импульсного переменного электромагнитного поля 5, приводящего к двухконтурной циркуляции расплава 6. Ниже зоны действия электромагнитного поля 5 расположен источник водяного охлаждения 7, в области действия которого происходит формирование фронта кристаллизации 8 вытягиваемого слитка 9.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. При подключении обмотки устройства к однофазному напряжению в катушке индуктивности (4) протекает электрический ток I_ac, что приводит к генерации катушкой (4) прерываемого на низкочастотные импульсы переменного ЭМ поля (5). В кристаллизаторе (3), в жидкой фазе кристаллизующегося слитка индуцируются вихревые токи, которые, взаимодействуя с первичным электромагнитным полем (5), вызывают усилия в жидком металле, приводящие к двухконтурной циркуляции расплава (6).

Таким образом, отличие предлагаемого способа в том, что воздействие на кристаллизующийся металл осуществляется при помощи неподвижного однофазного переменного электромагнитного поля, генерирование которого периодически прерывается с целью периодического возникновения электромагнитных сил в расплаве. Неравномерное распределение плотности электромагнитных сил в проводящей жидкости приводит к формированию характерной двухконтурной циркуляции расплава в кристаллизаторе. Циркуляция жидкости происходит с определенным периодом, напрямую зависящим от параметров переменного тока, питающего индуктор. Периодическое прерывание протекания тока по индуктивной катушке, согласно изобретению осуществляется с частотой, близкой или совпадающей с частотой механических колебаний объема жидкой сердцевины для обеспечения возникновения резонанса между внешним воздействием и внутренними колебаниями жидкости.

Способ импульсного ЭМ перемешивания осуществляется при размещении однофазного индуктора симметрично относительно средней плоскости расплава. Частота генерируемого импульсного переменного поля f_p подбирается таким образом, чтобы ее значение было максимально приближено к частоте оборота вихревых структур f_ch, формируемых распределением электромагнитных сил в расплаве в цилиндрическом объеме. Данная характеристическая частота циркуляции проводящей жидкости f_ch зависит от электрической проводимости материала σ, развиваемой характерной скорости потока V_ch под действием переменного ЭМ поля с параметрами I_ac и f_ac (сила и частота переменного однофазного тока, питающего индуктор), и характерного размера вихревых структур L_ch, зависящего в свою очередь от диаметра цилиндрической области, содержащей проводящую жидкость. За счет подобного воздействия реализуется интенсификация процесса перемешивания расплава.

Параметры однофазного переменного тока, питающего индуктор, подбираются исходя из соображений максимально эффективного использования подводимой энергии к расплаву: величина плотности радиальной составляющей электромагнитной силы f_EM(r), приводящей расплав в движение, является функцией безразмерной частоты

где μ₀ - магнитная проницаемость вакуума;

ω - циклическая частота переменного электромагнитного поля;

l₀ - характерный размер.

Параметр тесно связан с прониканием поля вовнутрь проводника . Максимальное значение плотности силы в расплаве достигается при значениях в диапазоне от 10 до 25 (Микельсон Ю.Я., Якович А.Т. Движение жидкого металла в индукционных печах. - В кн.: Вопросы электродинамики и механики сплошных сред. Рига, 1977, вып. 3, с.40 - 66.). При больших значениях , в связи с вытеснением поля из проводника, значение плотности силы значительно снижается. Частота переменного тока, питающего индуктор f_ac, связанная с ω через соотношение ω=2πf_ac, выбирается таким образом, чтобы результирующая величина находилась в указанном диапазоне от 10 до 25. Учитывая, что V_ch=f(I_ac), эффективное значение однофазной силы тока в индукторе подбирается таким образом, чтобы обеспечить условие V_ch более 50 мм/с. Как показано в нескольких экспериментальных исследованиях, именно подобные величины скорости потока расплава вблизи поверхности раздела фаз «твердое тело / жидкость» приводят к переходу структуры зерна кристаллизации с дендридной на равноосную (Moore, J.: The application of electromagnetic stirring (EMS) in the Continuous Casting, Continuous Casting / Iron and Steel Society of AIME, Warrendale, PA, vol. 3, 1984, pp. 1-9.).

Частота прерывания генерации переменного электромагнитного поля f_p, определяемая как f_p=1/(T_act+Т₀), где T_act - промежуток времени, в течение которого электромагнитная сила оказывает воздействие на расплав, Т₀ - длительность паузы, во время которой сила отсутствует и жидкость движется под действием инерции, выбирается из условия f_p≈f_ch. При этом f_ch для конкретного металлического сплава и диаметра выплавляемого слитка может быть определена через соотношения f_ch=1/T_ch, T_ch=L_ch/V_ch, где V_ch и L_ch уже обозначенные ранее характерная скорость потока и характерный размер вихревых структур соответственно. Чаще всего, в качестве V_ch принимается максимальное значение скорости на оси металла, а в роли L_ch выступает полурадиус вихревой структуры потока расплава.

Приложение импульсного переменного электромагнитного поля к затвердевающему расплаву с частотой, близкой к частоте циркуляционных потоков в жидкой сердцевине затвердевающего цилиндрического слитка, приводит к повышению качества конечного продукта за счет реализации следующих процессов:

1. приложение импульсной силы осуществляется во время поворота вихрей, что является толчком к повышению локальной скорости потоков и компенсирует отсутствие внешнего воздействия во время паузы между импульсами;

2. интенсификация турбулентного движения и повышение амплитуды пульсаций скорости потока, возникающие вследствие магнитогидродинамического резонанса, приводят к эффективному выравниванию температурного поля и химического состава в объеме жидкости, что обеспечивает снижение вероятности формирования дендритных структур вследствие отсутствия значительных температурных градиентов;

3. наличие интенсивных потоков вблизи границы раздела фаз приводит к частичному переплавлению формирующихся зерен кристаллизации, мешая их развитию в более крупные структуры;

4. дополнительное давление со стороны интенсифицированного потока расплава мешает росту зерен кристаллизации в направлении твердое вещество - жидкость;

5. потоки расплава, проникающие между растущими кристаллами в еще пористой структуре фронта кристаллизации, способствуют развитию границ раздела между зернами.

Таким образом, предлагаемый способ ЭМ перемешивания имеет следующие преимущества:

- простота реализации и конструктивного исполнения, позволяющая сократить число устройств, необходимых для осуществления процесса;

- реализация интенсивного перемешивания расплава при непрерывном производстве, позволяющая эффективно воздействовать на кристаллизующуюся структуру и повысить качество выплавляемого материала;

- универсальность предлагаемого способа воздействия при переходе от одного сплава к другому или при изменении диаметра выплавляемого слитка за счет простой корректировки параметров тока и частоты импульсного воздействия;

- интенсификация теплообмена между низкотемпературной и высокотемпературной зонами в объеме расплава ускоряет процесс кристаллизации и, как следствие, увеличивает скорость вытягивания слитка.